专利名称：线圈采用磁屏蔽的新型电感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及磁性元件制造领域，特别涉及到应用于电力电子功率变换器的高频功率 磁性元件。
背景技术：
电感器在电力电子功率变换器中承担储能和滤波等重要作用，应用极为广泛。其磁芯结 构既可采用低磁导率磁材料的粉芯磁芯，如铁粉心、High-flux、 Kool卞、MPP等粉芯磁材料， 也可采用高磁导率磁材料加空气隙的磁芯。对于采用粉芯磁芯的电感器，虽然其线圈窗口磁场比较均匀，具有高频时线圈涡流损耗 较小以及粉芯磁材料具有低磁导率和高饱和磁密优点，但由于目前粉芯磁材料的高频损耗密 度较大，当在高频而且大交流工作磁密功率变换场合应用时(如谐振电感器和有源功率因数 校正电路的电感器等)，将导致粉芯磁芯的损耗急剧增大和电感器温升大大增加，限制了该结 构电感器在高频而且大交流工作磁密功率变换场合的应用。对于采用高磁导率磁材料加空气隙磁芯的电感器，在高频功率应用场合时高磁导率磁材 料虽可采用损耗密度较小的铁氧体磁材料，但由于线圈窗口的磁场很不均匀(线圈窗口磁场 如说明书附图图2)，高频下线圈涡流损耗将急剧增大，使得该结构电感器在高频而且大交流 工作磁密功率变换场合的应用也受到一定的限制。说明书附图图1为由高磁导率磁材料和空 气隙构成磁芯的电感器结构，它由磁芯l、骨架2和线圈3构成，磁芯的磁芯柱ll上开设有 空气隙4。图2为图1结构电感器的线圈窗口磁通分布示意图，图中41为主磁通，42为扩散 磁通，43为旁路磁通。由图2可见，该结构电感器由于磁通42、 43透入到线圈窗口内切割 线圈导体，高频时导致线圈涡流损耗很大。因此，工作在高频而且大交流磁密下的电感器成为电力电子高频功率变换领域研究和应 用的一个重要课题。要解决这个难题， 一方面要积极开发适用于高频的粉芯磁材料，如非晶、 纳米晶等磁材料，以降低磁芯损耗，但目前这些磁材料的高频损耗特性以及价格还不尽人意; 另一方面要从降低线圈高频涡流损耗入手，如通过设计线圈形状和磁芯窗口形状，通过引入 准分布气隙{如图3所示，把图1高频电感器的气隙4分为几个小气隙44},或分布气隙{如 图4所示，把图1高频电感器的气隙4用低磁导率磁材料45代替}，以及通过气隙的交错布 置{如图5所示，把图1高频电感器的气隙4用位于不同高度平面的气隙46代替}等，都可在 一定程度上减小高频时电感器的线圈涡流损耗。但这些方法都在不同程度上使得线圈和磁芯
的制造工艺变复杂，往往都需要根据客户的要求设计或制造非标准化的骨架或磁芯，都有它 们的局限性。此外，还可通过在图1高频电感器开气隙4的磁芯柱与线圈间加入一低磁导率 的磁材料47{如图6所示}，以减小其线圈高频涡流损耗。由于高频功率电感器线圈涡流损耗主要是由进入其线圈窗口的高频扩散磁通和旁路磁 通切割线圈导体引起的，因此降低线圈涡流损耗的关键在于减小进入线圈窗口的高频磁通， 以及减少被进入线圈窗口的高频磁通切割的线圈导体面积。实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种线圈骨架表面镀层不闭合电良导体材料以使线圈采用 磁屏蔽的新型电感器，该装置不仅能在不增大电感器磁芯损耗的基础上，有效减小开气隙电 感器高频时的线圈涡流损耗，而且具有结构简单、便于生产的特点。本实用新型的技术方案是这样构成的，包括高磁导率的磁芯、套设于磁芯中柱外围的骨架以及巻绕于骨架上的线圏，磁芯的磁芯柱上开设有空气隙，其特征在于在套设于磁芯中 柱外围的线圈骨架表面上镀一层不闭合的电良导体材料，为线圈导体提供一磁屏蔽层。本实用新型由于在线圈骨架表面(包括线圈骨架的内、外表面)上镀一层不闭合的电良 导体材料(如铜、铝等材料)，引入了由电良导体材料构成的磁屏蔽层。该屏蔽层的引入使得 进入电感器线圈窗口的高频磁通减少，从而减小了线圈窗口的线圈区域的磁场，显著减小了 线圈的高频涡流损耗和电感器温升，提高了电感器的性能。同时，由于电感器磁芯中的磁通 未受影响，故不会使磁芯的高频涡流损耗增加。此外，由于只需在线圈骨架上镀层不闭合的 电良导体材料，不需要对标准化的磁芯进行特殊的设计或加工制作，因此具有结构简单，便 于生产的特点。
图l是已有的一种电感器结构图，为由集中空气隙和高磁导率磁芯构成的电感器结构图；图2为图1的线圈窗口磁通分布示意图；图3为图1采用准分布气隙的电感器结构图；图4为图1采用分布气隙的电感器结构图；图5为图1采用交错气隙的电感器结构图；图6为在开气隙的磁芯柱和线圈间加入低磁导率磁材料的电感器结构图；图7是本实用新型的电感器结构图；图8为图7的A-A剖面图；图9为图1和图7两种结构电感器沿电感器内层线圈导体表面的磁场分布曲线，图中 IO为采用本实用新型电感器的内层线圈导体表面的磁场分布曲线，11为没有采用本实用新型 但参数相同的单气隙电感器内层线圈导体表面的磁场分布曲线；
图IO是本实用新型磁芯采用准分布气隙时的电感器结构图； 图11是本实用新型磁芯采用交错布置气隙时的电感器结构图。
具体实施方式
本实用新型的新型电感器，包括高磁导率的磁芯5、套设于磁芯中柱51外围的骨架6 以及巻绕于骨架上的线圈7，磁芯的磁芯柱上开设有空气隙8，其特征在于在套设于磁芯中 柱外围的线圈骨架表面上镀一层不闭合的电良导体材料9，以形成磁屏蔽层。上述的电良导体材料为铜或铝。镀在套设于磁芯中柱外围的线圈骨架表面上的电良导体 层开设有隔离缝道91以使磁屏蔽层不闭合。本实用新型实施例的构造如图7、图8所示，图中5为高磁导率材料的磁芯，8为磁芯的 空气隙，6为线圈骨架，9为镀于线圏骨架表面的不闭合的电良导体材料(示意图中仅以电良 导体材料镀于线圈骨架的外表面为例)。在该结构中，通过在线圈骨架表面镀层电良导体材料 为电感器线圈窗口中的线圈导体提供了一个屏蔽高频磁场的磁屏蔽层，这就使得进入线圈窗 口的磁通(包括扩散磁通和旁路磁通)大大减小，从而减小了线圈导体的涡流损耗，如图9 所示，10的磁场分布比11均匀得多。此时，虽然镀于线圈骨架上由不闭合的电良导体材料 构成的磁屏蔽层本身会带来额外的高频涡流损耗，但可以通过合理设计该磁屏蔽层(包括材 料、厚度、宽度、片段数)，使得因其所增加的磁屏蔽层的涡流损耗比因其所减小的线圈涡流 损耗小得多，从而总体上有效减小高频开气隙电感器的线圈涡流损耗。由于高频时电感器线圈导体往往采用线径比较细的里兹线(绞线)或比较薄的铜箔，此 时为使本新型结构中的磁屏蔽层所增加的额外高频涡流损耗比线圈导体所减小的涡流损耗小 得多，设计的磁屏蔽层厚度往往很薄。采用镀电良导体材料的技术，则可以使得本实用新型 结构中的磁屏蔽层可以精确加工成设计所需的厚度，确保了该实用新型的可实施性。而在绝 缘的线圈骨架上镀电良导体材料技术已很成熟。镀于线圈骨架表面的不闭合的电良导体材料沿磁芯柱圆周方向所分的片段数应视具体 应用而言，可通过设计予以确定(图7的结构图中分成四个片段)。虽然当镀于线圈骨架表面 的电良导体材料为闭合时，也可为线圈导体起到屏蔽高频磁场的作用，但该闭合的电良导体 材料同时也为电感器提供了一闭合短路环，将导致电感器因短路而烧毁。故在实施加工时， 必须确保所镀的电良导体材料为不闭合的。本实用新型的新型电感器的磁芯除了采用图7例的单个气隙外，还可采用图3结构中的 准分布气隙和图5结构中的交错气隙，如图IO、图ll，但不宜采用图4结构中的分布气隙。本实用新型不仅能有效减小高频时电感器的线圈涡流损耗和温升，而且不会增大磁芯损 耗，有利于提高电感器的功率密度和效率，此外还具有结构简单，便于生产的特点，具有很 大的推广应用价值。
权利要求1.一种线圈采用磁屏蔽的新型电感器，包括高磁导率的磁芯(5)、套设于磁芯中柱(51)外围的骨架(6)以及卷绕于骨架上的线圈(7)，磁芯的磁芯柱上开设有空气隙(8)，其特征在于在套设于磁芯中柱外围的线圈骨架表面上镀一层不闭合的电良导体材料(9)，为线圈导体提供一磁屏蔽层。
2. 根据权利要求l所述的线圈采用磁屏蔽的新型电感器，其特征在于镀于线圈骨架表面的 电良导体层上设有隔离缝道。
3. 根据权利要求1或2所述的线圈采用磁屏蔽的新型电感器，其特征在于所述的电良导体材料为铜或铝。
专利摘要本实用新型涉及一种线圈采用磁屏蔽的新型电感器，包括高磁导率的磁芯(5)、套设于磁芯中柱(51)外围的骨架(6)以及卷绕于骨架上的线圈(7)，磁芯的磁芯柱上开设有空气隙(8)，其特征在于在套设于磁芯中柱外围的线圈骨架表面上镀一层不闭合的电良导体材料(9)，以形成磁屏蔽层。该装置不仅能在不增大电感器磁芯损耗的基础上，有效减小开气隙电感器高频时的线圈涡流损耗和温升，有利于提高电感器的功率密度和效率，而且具有结构简单、便于生产的特点。
文档编号H01F17/04GK201036112SQ20072000612
公开日2008年3月12日 申请日期2007年1月19日 优先权日2007年1月19日
发明者毛行奎 申请人:福州大学